材料加工時にプロセス監視を行うための方法および装置
本発明は、レーザ加工が実施される被加工品（１０）の加工領域（１１）を監視する方法であって、前記加工領域（１１）から放出された放射を検出器システム（２２）によって位置分解方式で検出し、前記加工領域（１１）の放射を、前記検出器システム（２２）に結像される、該加工領域（１１）の各面要素（３５）ごとに、同時に少なくとも２つの波長で検出することを特徴とする方法に関する。本方法により、正確なプロセス監視を実施することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工が行われる被加工品の加工領域を監視する方法であって、該加工領域から放出された放射を検出器システムによって位置分解方式で検出する方法と、被加工品のレーザ加工を監視するための装置であって、フィルタシステムと検出器システムとを備えた装置とに関する。
【０００２】
レーザ加工法ではしばしば、たとえば加工時にそのつど遵守すべき品質を推定したり、所定の加工領域を遵守しているかを推定できるように、また加工のための制御も行えるように、加工時に所定の加工領域内の温度を検出することが望まれ、また必要ともされている。
【０００３】
加工中にはそのつどの加工領域の異なる位置の温度が、幾つかのパラメータに依存して時間的および局所的に変化し、たとえば、加工時に使用される実際のレーザ出力、レーザビームおよび実際に加工される被加工品の変位速度および／または変位方向に依存して時間的および局所的に変化するので、加工領域内の温度を位置分解方式で検出することが望まれている。
【０００４】
公知のシステムが複数の個々のフォトダイオードまたはＣＣＤカメラ／ＣＭＯＳカメラを使用して、溶接プロセスを測定および判定する。その際には、近赤外線を簡単な放射強度測定方式で検出する。このような放射測定ではとりわけ、絶対温度、放出係数、測定フィールドの照明等が重なり合う。さらに放射強度測定は、光学系の汚染、観察ビーム経路における煙およびプラズマに大きく依存する。それゆえ、強度測定量によるプロセス判定は不精確である。
【０００５】
ＤＥ１０２００４０５１８７６Ａ１から、位置分解方式で温度測定を行うための構成が公知である。この構成では、被加工品の設定可能な加工領域が、位置分解測定する光学的検出器に結像され、該加工領域と該光学的検出器との間のビーム経路に、１つまたは複数のレーザ加工ビームの電磁放射を阻止する少なくとも１つのフィルタが配置されている。
【０００６】
本発明の課題は、品質監視を改善することができる方法および装置を提供することである。
【０００７】
前記課題は、冒頭に述べられた形式の次のような方法、すなわち、検出器システムに結像される加工領域の各面要素ごとに、該加工領域の放射を、少なくとも２つの波長で同時に検出する方法によって解決される。２つの波長で得られたこれらの情報は、分析して相互に関連づけることができる。この加工領域は本発明では、蒸気キャピラリ、蒸気キャピラリの溶融膜表面、レーザ溶接時に生じる周辺の溶融浴、溶融浴の後流、凝固された材料、および周辺の熱影響区域とを含む。適切な分析によって、溶融浴の後流、凝固された溶融物および熱影響区域における温度勾配を計算することができる。このことによってたとえば、被加工品への熱流出を特徴づけることができる。さらに、たとえば結合欠陥等の、内部の溶接継目欠陥を識別することもできる。たとえば硬化等の材料影響も検出することができる。また実際の溶融浴寸法を、溶融／固体の相転移に基づいて求めることもできる。最後に、材料へのエネルギー入力結合を特徴づけ、たとえば溶込み深さの変動、重ね突合わせの結合欠陥等の、内部の溶接継目の特徴を推定することができる。それゆえ本方法は、プロセス監視と、とりわけ加工プロセスおよび生成された溶接継ぎ目の品質に適している。
【０００８】
本方法の特に有利な変形形態では、検出器システムによって検出される各面要素ごとに、検出された放射から、とりわけ絶対温度である温度および／または放出係数を求める。絶対温度および放出係数を、少なくとも２つの波長で測定された放射から求めるために、比放射高温測定法（Verhaeltnisstrahlungspyrometrie）の自明の方法を使用し、かつ／または、電磁放射を物理的な放射則に分析適合することができる。こうするためには、被加工品の検出された各面要素の放射を分析分離によって、絶対温度と放出係数とに換算する。このようにして、蒸気キャピラリの温度値と、該蒸気キャピラリの溶融膜表面の温度値と、該蒸気キャピラリを包囲する溶融物の温度値と、溶融浴の後流の温度値と、凝固された材料の温度値と、熱影響区域の温度値とから成る像が、溶融／固体の相転移の付加的な一意の情報とともに得られる。
【０００９】
特に有利には、温度および／または放出係数を考慮して、とりわけ絶対温度および／または放出係数を考慮して、品質評価を行う。本発明による方法は、公知の方法よりも高精度である。たとえば、すでに酸化物層を形成した溶融区域をより正確に分析することができる。このような区域では、この酸化物層に起因して、溶融物と比較して放出係数が高いが、酸化物層を有する区域の温度と酸化物層を有さない区域の温度とは類似する。公知の手法では、このような領域を誤って、凝固された溶融物として検出してしまう。というのも溶融／固体の相転移の分析は、異なる放出度によって引き起こされる放射強度変化に基づくからである。温度と放出係数とを別個に分析することにより、このような場所では放出係数は急激に変化するが、絶対温度の変化は僅かのみになる。絶対温度が材料の溶融点を下回る領域を検出することにより、溶融液相の輪郭およびサイズを検出することができる。さらに、温度と放出係数とが相互に抗する作用も補償される。絶対温度が高くかつ放出係数が低いことにより、放射強度測定値が誤って低くなったり、ないしはカメラ撮像では、露わになった溶融浴の表現が固体の材料と比較して暗くなってしまう。このことによって、公知の単純な放射強度測定では誤って、凝固された材料ないしは固体の材料と比較して、溶融浴の検出される測定温度は低くなってしまう。
【００１０】
溶融／固体の実際の相転移の検出の他に、絶対温度によっても、凝固された材料および熱影響区域をより良好に判定できるようになる。その際には、時間的および／または位置的な温度勾配を高精度で検出し、溶接接合の品質予測に使用することができる。
【００１１】
本方法の有利な実施形態では、加工領域から放出された放射を複数の個々のビーム経路に分割し、これらの個々のビーム経路をフィルタリングすることができる。このことによって、面要素から放射された放射を異なる波長で検出して分析することができる。放出された放射は、たとえばビームスプリッタによって分割することができる。択一的にこのような放射を、異なる面要素に対応付けられたファイバ光学系に入力結合し、該ファイバ光学系の端部において放射の波長選択検出を行うことができる。
【００１２】
各面要素ごとに少なくとも２つの波長の光学的フィルタリングを実施すると、面要素から放出された放射を少なくとも２つの波長で、特に簡単に検出することができる。
【００１３】
加工領域の複数の波長依存性の像を生成することにより、本発明の別の利点が得られる。サーモグラフィのプロセス像から、実際の温度像と放出係数像とを求めることができる。これによって、加工領域における温度分布と該加工領域における放出係数分布とを簡単にグラフィック表示して評価することができる。
【００１４】
本発明の枠内ではさらに、結像される各面要素ごとに少なくとも２つのセンサエレメントが所属する、冒頭に述べた形式の次のような装置、すなわち、該少なくとも２つのセンサエレメントそれぞれに光学的フィルタが対応付けられ、該光学的フィルタは、放出された放射を異なる波長でフィルタリングする装置を提供する。その際には、‐異なる面要素に対する‐複数のセンサエレメントに同一のフィルタが所属することができる。また、各センサエレメントが専用のフィルタを有することもできる。このような装置は本発明による方法を実施するのに適しているので、この方法に関して挙げられた利点を実現することができる。有利には、本発明による装置はレーザビーム溶接装置とともに１つのユニットを構成する。このことによって、分析および品質監視をレーザ材料加工と同時に実施することができる。その際には、プロセス監視と溶接プロセスとの短い時間的および位置的な間隔は許容することができる。
【００１５】
異なる波長で捕捉された放射の分析を実施できるようにするためには、各面要素ごとに温度値および／または放出係数を検出するための評価装置が設けられるのが有利である。
【００１６】
１つの有利な実施形態では、ビームスプリッタはビーム経路に設けられる。ビームスプリッタによって、加工領域から放射された放射を複数の個々のビーム経路に分割し、選択的な狭帯域のスペクトル領域で、結像光学系を介して適切な検出器システムに結像することができる。その際にはとりわけ、１つの検出器に複数の像を発生させることができる。このようなサーモグラフィプロセス像から、温度像および放出係数の像を計算することができる。
【００１７】
検出器システムとして、たとえばマトリクスカメラを設けることができる。有利にはこのようなマトリクスカメラは、測定すべき温度放射に適したスペクトル感度、すなわち十分に高いスペクトル感度を有する。択一的に、検出器システムとして複数の個別のカメラを設け、とりわけ複数の個別のマトリクスカメラを設けることができる。その際には、個々のカメラに個別の選択的なスペクトル領域が結像される。このマトリクスカメラ、ないしは少なくとも１つのマトリクスカメラは、異なる半導体材料から製造することができる。
【００１８】
カメラとして適しているのは、可視スペクトル領域から近赤外線および遠赤外線にまで及ぶ放射領域を検出するための検出器である。検出器システムのカメラとして適しているのは、たとえばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラおよび／またはＩｎＧａＡｓカメラである。ここでは、これらの例だけが本願発明の対象というわけでは決してなく、別の種類のカメラも使用することができる。個々のカメラを使用する場合、複数の異なるカメラを組み合わせることもできる。たとえば、測定すべきスペクトル領域が異なるごとに、異なるスペクトル感度を有する異なるカメラを使用することができる。
【００１９】
本発明の有利な実施形態では、検出器システムは複数のフォトダイオードの配列体を含む。このような実施形態では、フォトダイオード配列体は１つまたは複数のフォトダイオードを含むことができる。このようなフォトダイオード配列体は、スペクトル帯域が狭いシングルダイオードまたはマルチダイオードとして構成することにより、加工領域内の各面要素で相応の放射成分が同時に検出されるようにすることができる。マルチダイオードまたはシングルダイオードは、異なる半導体材料から形成することができる。
【００２０】
有利な実施形態では、フォトダイオード配列体より上流のビーム経路にファイバ光学系および／または結像光学系を配置することができる。このようなフォトダイオード配列体によって、マトリクスセンサを構成することができる。その際には、前記フォトダイオードまたはファイバ光学系ないしは被加工品の面要素の結像は、相互に任意に配置することができる。
【００２１】
このようなフィルタシステムにより、検出された各面要素の放射を少なくとも２つの波長でフィルタリングし、各面要素から、異なるスペクトル放射情報を有する２つの画素が得られるようにすることができる。フィルタシステムをカメラマトリクスに組み込むか、マトリクス表面上に個々のセンサエレメントより上流に配置するか、またはビームスプリッタと検出器システムとの間に設けることができる。さらに、フィルタシステムをビームスプリッタミラーに組み込むか、またはビームスプリッタに配置するか、ないしは該ビームスプリッタに組み込むことができる。
【００２２】
また、フィルタシステムがチェス盤パターンを有すること、またはストライプパターンを有すること、または光学的な個々のフィルタ素子の配列体を有することも考えられる。とりわけ、使用される検出器システムまたは必要とされる局所的な温度領域に応じてフィルタシステムを適切に選択することができる。すなわち、フィルタシステムのフィルタの波長を、測定すべき温度領域に適合することができる。有利には、比較的大きなフィルタをマトリクスカメラとともに使用することができる。加工領域全体の放射をビームスプリッタによって、スペクトル的にニュートラルに、またはスペクトル選択的に複数のビーム経路に分割する。その際には各ビーム経路が、ビームスプリッタより下流かつマトリクス配列体より上流またはマトリクス配列体に設けられた１つの波長フィルタに割り当てられる。択一的に、光学的フィルタをすでにビームスプリッタ上に設けるか、またはビームスプリッタミラー上に設けることもできる。このようにして、加工領域全体の放射がフィルタリングされる。複数の個別のダイオードを使用する場合、各ダイオードひいては加工領域の各面要素に小さいフィルタ素子を所属させ、面要素から送出された放射のみがフィルタ素子によってフィルタリングされるようにすることができる。
【００２３】
この測定システムは、基準放射源によって較正される。その際に有利なのは、基準放射面において温度および温度分布が均質である黒体放射源を使用することである。このような基準放射は、使用される装置／光学系を介してまず検出器に結像され、その後に各マトリクス素子／検出素子の較正が行われる。
【００２４】
本発明の以下の実施例の説明と請求項とから、本発明に重要な詳細を示す図面の各図を参照すると、本発明の別の構成および利点を理解できる。これらの個々の構成は、本発明の変形実施例で、各個別に実施してもよく、又は、複数の要件を任意に組み合わせて実施してもよい。
【００２５】
図面に本発明の有利な実施例が概略的に示されており、これらの実施例を以下では図面を参照しながら詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】レーザ加工の品質監視を行うための第１の装置を概略的に示す第１の図である。
【図２】レーザ加工の品質監視を行うための第２の装置を概略的に示す第２の図である。
【００２７】
図１に、レーザビーム４８によって加工される被加工品１０が示されている。被加工品１０の加工領域１１内に溶融浴１２が存在し、この溶融浴１２が電磁放射１３を放出する。この電磁放射１３は集束光学系１４を介して、ビームスプリッタ１６に対するビームスプリッタミラー１５に到達する。このビームスプリッタ１６はプリズムとして形成することができる。
【００２８】
ビームスプリッタミラー１５は図１および図２に示されているように、レーザ放射４８に対して高透過性であり、サーモグラフィのための波長領域に対しては反射性に構成することができる。たとえば、ビームスプリッタミラー１５はレーザ放射に対して高反射性でありサーモグラフィのための波長領域に対しては高透過性に構成される構成のような、別の実施形態も可能である。
【００２９】
ビームスプリッタ１６によって電磁放射１３は複数のビーム経路１７，１８に分割される。これらのビーム経路１７，１８はそれぞれ、集束光学系として構成された結像光学系１９，２０とフィルタシステム２１とを介して、マトリクスカメラとして構成された検出器システム２２に到達する。前記集束光学系はレンズおよび／またはミラーを含むことができる。結像光学系１９，２０は、結像誤差が色収差によって補償されるように構成される。さらに、光学系１９，２０を、とりわけ軸方向および横方向の位置決めのために、ビーム方向と横方向とに移動可能に構成し、かつ相互間で調整可能に構成することもできる。
【００３０】
フィルタシステム２１は、第１の波長をフィルタリングするための第１のフィルタ２３と、第２の波長をフィルタリングするための第２のフィルタ２４とを有する。このようなフィルタリングによってスペクトル選択が行われ、検出器システム２２に加工領域１１の２つの異なる放射像２５，２６が得られる。これらの放射像２５，２６から分析手法によって、加工領域１１の各面要素の絶対温度と放出係数とを求めることができる。この分析は評価装置３０において実施される。絶対温度および／または放出係数によっても、加工過程の品質に関する情報が得られる。
【００３１】
図１および２には、キャピラリと溶融浴と凝固された溶融物と熱影響区域とを含む加工領域１１が複数の面要素３５に分割されているのが示されている。図２では、面要素３５から放出された放射は集束光学系１４を介してビームスプリッタミラー１５に到達する。電磁放射１３のビーム経路に結像光学系３６が配置されている。この結像光学系３６は、各個別の面要素３５の放射を、端部で保持体５０によって保持されたファイバ光学系３７，３８に入力結合する。これらのファイバ光学系３７，３８を介して放射はフィルタ素子３９〜４２に到達する。ここでは各面要素３５ひいては各ファイバ光学系３７，３８に２つのフィルタ素子３９〜４２が所属している。フィルタ素子３９〜４２によってフィルタリングされた放射は、フォトダイオード配列体４７のフォトダイオード４３〜４６として構成されたセンサ素子によって検出される。このようにしても、各面要素３５ごとに異なるスペクトル選択性の放射測定点が得られ、これらの放射測定点は評価ユニット３０によって分析することができる。とりわけ、各面要素３５ごとに温度および／または放出係数を求めることができる。分析される面要素３５の数はセンサ素子の数によって決定される。フォトダイオード配列体４７がセンサシステムを構成する。
【００３２】
光ファイバ３７ないしは結像される画素３５をマトリクスとして被加工物にマッピングするか、または、別の任意の各配列（円、線、十字形等）に相互にマッピングすることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工が行われる被加工品の加工領域を監視する方法であって、該加工領域から放出された放射を検出器システムによって位置分解方式で検出する方法と、被加工品のレーザ加工を監視するための装置であって、フィルタシステムと検出器システムとを備えた装置とに関する。
【０００２】
レーザ加工法ではしばしば、たとえば加工時にそのつど遵守すべき品質を推定したり、所定の加工領域を遵守しているかを推定できるように、また加工のための制御も行えるように、加工時に所定の加工領域内の温度を検出することが望まれ、また必要ともされている。
【０００３】
加工中にはそのつどの加工領域の異なる位置の温度が、幾つかのパラメータに依存して時間的および局所的に変化し、たとえば、加工時に使用される実際のレーザ出力、レーザビームおよび実際に加工される被加工品の変位速度および／または変位方向に依存して時間的および局所的に変化するので、加工領域内の温度を位置分解方式で検出することが望まれている。
【０００４】
公知のシステムが複数の個々のフォトダイオードまたはＣＣＤカメラ／ＣＭＯＳカメラを使用して、溶接プロセスを測定および判定する。その際には、近赤外線を簡単な放射強度測定方式で検出する。このような放射測定ではとりわけ、絶対温度、放出係数、測定フィールドの照明等が重なり合う。さらに放射強度測定は、光学系の汚染、観察ビーム経路における煙およびプラズマに大きく依存する。それゆえ、強度測定量によるプロセス判定は不精確である。
【０００５】
ＤＥ１０２００４０５１８７６Ａ１から、位置分解方式で温度測定を行うための構成が公知である。この構成では、被加工品の設定可能な加工領域が、位置分解測定する光学的検出器に結像され、該加工領域と該光学的検出器との間のビーム経路に、１つまたは複数のレーザ加工ビームの電磁放射を阻止する少なくとも１つのフィルタが配置されている。
【０００６】
本発明の課題は、品質監視を改善することができる方法および装置を提供することである。
【０００７】
前記課題は、冒頭に述べられた形式の次のような方法、すなわち、検出器システムに結像される加工領域の各面要素ごとに、該加工領域の放射を、少なくとも２つの波長で同時に検出する方法によって解決される。２つの波長で得られたこれらの情報は、分析して相互に関連づけることができる。この加工領域は本発明では、蒸気キャピラリ、蒸気キャピラリの溶融膜表面、レーザ溶接時に生じる周辺の溶融浴、溶融浴の後流、凝固された材料、および周辺の熱影響区域とを含む。適切な分析によって、溶融浴の後流、凝固された溶融物および熱影響区域における温度勾配を計算することができる。このことによってたとえば、被加工品への熱流出を特徴づけることができる。さらに、たとえば結合欠陥等の、内部の溶接継目欠陥を識別することもできる。たとえば硬化等の材料影響も検出することができる。また実際の溶融浴寸法を、溶融／固体の相転移に基づいて求めることもできる。最後に、材料へのエネルギー入力結合を特徴づけ、たとえば溶込み深さの変動、重ね突合わせの結合欠陥等の、内部の溶接継目の特徴を推定することができる。それゆえ本方法は、プロセス監視と、とりわけ加工プロセスおよび生成された溶接継ぎ目の品質に適している。
【０００８】
本方法の特に有利な変形形態では、検出器システムによって検出される各面要素ごとに、検出された放射から、とりわけ絶対温度である温度および／または放出係数を求める。絶対温度および放出係数を、少なくとも２つの波長で測定された放射から求めるために、比放射高温測定法（Verhaeltnisstrahlungspyrometrie）の自明の方法を使用し、かつ／または、電磁放射を物理的な放射則に分析適合することができる。こうするためには、被加工品の検出された各面要素の放射を分析分離によって、絶対温度と放出係数とに換算する。このようにして、蒸気キャピラリの温度値と、該蒸気キャピラリの溶融膜表面の温度値と、該蒸気キャピラリを包囲する溶融物の温度値と、溶融浴の後流の温度値と、凝固された材料の温度値と、熱影響区域の温度値とから成る像が、溶融／固体の相転移の付加的な一意の情報とともに得られる。
【０００９】
特に有利には、温度および／または放出係数を考慮して、とりわけ絶対温度および／または放出係数を考慮して、品質評価を行う。本発明による方法は、公知の方法よりも高精度である。たとえば、すでに酸化物層を形成した溶融区域をより正確に分析することができる。このような区域では、この酸化物層に起因して、溶融物と比較して放出係数が高いが、酸化物層を有する区域の温度と酸化物層を有さない区域の温度とは類似する。公知の手法では、このような領域を誤って、凝固された溶融物として検出してしまう。というのも溶融／固体の相転移の分析は、異なる放出度によって引き起こされる放射強度変化に基づくからである。温度と放出係数とを別個に分析することにより、このような場所では放出係数は急激に変化するが、絶対温度の変化は僅かのみになる。絶対温度が材料の溶融点を下回る領域を検出することにより、溶融液相の輪郭およびサイズを検出することができる。さらに、温度と放出係数とが相互に抗する作用も補償される。絶対温度が高くかつ放出係数が低いことにより、放射強度測定値が誤って低くなったり、ないしはカメラ撮像では、露わになった溶融浴の表現が固体の材料と比較して暗くなってしまう。このことによって、公知の単純な放射強度測定では誤って、凝固された材料ないしは固体の材料と比較して、溶融浴の検出される測定温度は低くなってしまう。
【００１０】
溶融／固体の実際の相転移の検出の他に、絶対温度によっても、凝固された材料および熱影響区域をより良好に判定できるようになる。その際には、時間的および／または位置的な温度勾配を高精度で検出し、溶接接合の品質予測に使用することができる。
【００１１】
本方法の有利な実施形態では、加工領域から放出された放射を複数の個々のビーム経路に分割し、これらの個々のビーム経路をフィルタリングすることができる。このことによって、面要素から放射された放射を異なる波長で検出して分析することができる。放出された放射は、たとえばビームスプリッタによって分割することができる。択一的にこのような放射を、異なる面要素に対応付けられたファイバ光学系に入力結合し、該ファイバ光学系の端部において放射の波長選択検出を行うことができる。
【００１２】
各面要素ごとに少なくとも２つの波長の光学的フィルタリングを実施すると、面要素から放出された放射を少なくとも２つの波長で、特に簡単に検出することができる。
【００１３】
加工領域の複数の波長依存性の像を生成することにより、本発明の別の利点が得られる。サーモグラフィのプロセス像から、実際の温度像と放出係数像とを求めることができる。これによって、加工領域における温度分布と該加工領域における放出係数分布とを簡単にグラフィック表示して評価することができる。
【００１４】
本発明の枠内ではさらに、結像される各面要素ごとに少なくとも２つのセンサエレメントが所属する、冒頭に述べた形式の次のような装置、すなわち、該少なくとも２つのセンサエレメントそれぞれに光学的フィルタが対応付けられ、該光学的フィルタは、放出された放射を異なる波長でフィルタリングする装置を提供する。その際には、‐異なる面要素に対する‐複数のセンサエレメントに同一のフィルタが所属することができる。また、各センサエレメントが専用のフィルタを有することもできる。このような装置は本発明による方法を実施するのに適しているので、この方法に関して挙げられた利点を実現することができる。有利には、本発明による装置はレーザビーム溶接装置とともに１つのユニットを構成する。このことによって、分析および品質監視をレーザ材料加工と同時に実施することができる。その際には、プロセス監視と溶接プロセスとの短い時間的および位置的な間隔は許容することができる。
【００１５】
異なる波長で捕捉された放射の分析を実施できるようにするためには、各面要素ごとに温度値および／または放出係数を検出するための評価装置が設けられるのが有利である。
【００１６】
１つの有利な実施形態では、ビームスプリッタはビーム経路に設けられる。ビームスプリッタによって、加工領域から放射された放射を複数の個々のビーム経路に分割し、選択的な狭帯域のスペクトル領域で、結像光学系を介して適切な検出器システムに結像することができる。その際にはとりわけ、１つの検出器に複数の像を発生させることができる。このようなサーモグラフィプロセス像から、温度像および放出係数の像を計算することができる。
【００１７】
検出器システムとして、たとえばマトリクスカメラを設けることができる。有利にはこのようなマトリクスカメラは、測定すべき温度放射に適したスペクトル感度、すなわち十分に高いスペクトル感度を有する。択一的に、検出器システムとして複数の個別のカメラを設け、とりわけ複数の個別のマトリクスカメラを設けることができる。その際には、個々のカメラに個別の選択的なスペクトル領域が結像される。このマトリクスカメラ、ないしは少なくとも１つのマトリクスカメラは、異なる半導体材料から製造することができる。
【００１８】
カメラとして適しているのは、可視スペクトル領域から近赤外線および遠赤外線にまで及ぶ放射領域を検出するための検出器である。検出器システムのカメラとして適しているのは、たとえばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラおよび／またはＩｎＧａＡｓカメラである。ここでは、これらの例だけが本願発明の対象というわけでは決してなく、別の種類のカメラも使用することができる。個々のカメラを使用する場合、複数の異なるカメラを組み合わせることもできる。たとえば、測定すべきスペクトル領域が異なるごとに、異なるスペクトル感度を有する異なるカメラを使用することができる。
【００１９】
本発明の有利な実施形態では、検出器システムは複数のフォトダイオードの配列体を含む。このような実施形態では、フォトダイオード配列体は１つまたは複数のフォトダイオードを含むことができる。このようなフォトダイオード配列体は、スペクトル帯域が狭いシングルダイオードまたはマルチダイオードとして構成することにより、加工領域内の各面要素で相応の放射成分が同時に検出されるようにすることができる。マルチダイオードまたはシングルダイオードは、異なる半導体材料から形成することができる。
【００２０】
有利な実施形態では、フォトダイオード配列体より上流のビーム経路にファイバ光学系および／または結像光学系を配置することができる。このようなフォトダイオード配列体によって、マトリクスセンサを構成することができる。その際には、前記フォトダイオードまたはファイバ光学系ないしは被加工品の面要素の結像は、相互に任意に配置することができる。
【００２１】
このようなフィルタシステムにより、検出された各面要素の放射を少なくとも２つの波長でフィルタリングし、各面要素から、異なるスペクトル放射情報を有する２つの画素が得られるようにすることができる。フィルタシステムをカメラマトリクスに組み込むか、マトリクス表面上に個々のセンサエレメントより上流に配置するか、またはビームスプリッタと検出器システムとの間に設けることができる。さらに、フィルタシステムをビームスプリッタミラーに組み込むか、またはビームスプリッタに配置するか、ないしは該ビームスプリッタに組み込むことができる。
【００２２】
また、フィルタシステムがチェス盤パターンを有すること、またはストライプパターンを有すること、または光学的な個々のフィルタ素子の配列体を有することも考えられる。とりわけ、使用される検出器システムまたは必要とされる局所的な温度領域に応じてフィルタシステムを適切に選択することができる。すなわち、フィルタシステムのフィルタの波長を、測定すべき温度領域に適合することができる。有利には、比較的大きなフィルタをマトリクスカメラとともに使用することができる。加工領域全体の放射をビームスプリッタによって、スペクトル的にニュートラルに、またはスペクトル選択的に複数のビーム経路に分割する。その際には各ビーム経路が、ビームスプリッタより下流かつマトリクス配列体より上流またはマトリクス配列体に設けられた１つの波長フィルタに割り当てられる。択一的に、光学的フィルタをすでにビームスプリッタ上に設けるか、またはビームスプリッタミラー上に設けることもできる。このようにして、加工領域全体の放射がフィルタリングされる。複数の個別のダイオードを使用する場合、各ダイオードひいては加工領域の各面要素に小さいフィルタ素子を所属させ、面要素から送出された放射のみがフィルタ素子によってフィルタリングされるようにすることができる。
【００２３】
この測定システムは、基準放射源によって較正される。その際に有利なのは、基準放射面において温度および温度分布が均質である黒体放射源を使用することである。このような基準放射は、使用される装置／光学系を介してまず検出器に結像され、その後に各マトリクス素子／検出素子の較正が行われる。
【００２４】
本発明の以下の実施例の説明と請求項とから、本発明に重要な詳細を示す図面の各図を参照すると、本発明の別の構成および利点を理解できる。これらの個々の構成は、本発明の変形実施例で、各個別に実施してもよく、又は、複数の要件を任意に組み合わせて実施してもよい。
【００２５】
図面に本発明の有利な実施例が概略的に示されており、これらの実施例を以下では図面を参照しながら詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】レーザ加工の品質監視を行うための第１の装置を概略的に示す第１の図である。
【図２】レーザ加工の品質監視を行うための第２の装置を概略的に示す第２の図である。
【００２７】
図１に、レーザビーム４８によって加工される被加工品１０が示されている。被加工品１０の加工領域１１内に溶融浴１２が存在し、この溶融浴１２が電磁放射１３を放出する。この電磁放射１３は集束光学系１４を介して、ビームスプリッタ１６に対するビームスプリッタミラー１５に到達する。このビームスプリッタ１６はプリズムとして形成することができる。
【００２８】
ビームスプリッタミラー１５は図１および図２に示されているように、レーザ放射４８に対して高透過性であり、サーモグラフィのための波長領域に対しては反射性に構成することができる。たとえば、ビームスプリッタミラー１５はレーザ放射に対して高反射性でありサーモグラフィのための波長領域に対しては高透過性に構成される構成のような、別の実施形態も可能である。
【００２９】
ビームスプリッタ１６によって電磁放射１３は複数のビーム経路１７，１８に分割される。これらのビーム経路１７，１８はそれぞれ、集束光学系として構成された結像光学系１９，２０とフィルタシステム２１とを介して、マトリクスカメラとして構成された検出器システム２２に到達する。前記集束光学系はレンズおよび／またはミラーを含むことができる。結像光学系１９，２０は、結像誤差が色収差によって補償されるように構成される。さらに、光学系１９，２０を、とりわけ軸方向および横方向の位置決めのために、ビーム方向と横方向とに移動可能に構成し、かつ相互間で調整可能に構成することもできる。
【００３０】
フィルタシステム２１は、第１の波長をフィルタリングするための第１のフィルタ２３と、第２の波長をフィルタリングするための第２のフィルタ２４とを有する。このようなフィルタリングによってスペクトル選択が行われ、検出器システム２２に加工領域１１の２つの異なる放射像２５，２６が得られる。これらの放射像２５，２６から分析手法によって、加工領域１１の各面要素の絶対温度と放出係数とを求めることができる。この分析は評価装置３０において実施される。絶対温度および／または放出係数によっても、加工過程の品質に関する情報が得られる。
【００３１】
図１および２には、キャピラリと溶融浴と凝固された溶融物と熱影響区域とを含む加工領域１１が複数の面要素３５に分割されているのが示されている。図２では、面要素３５から放出された放射は集束光学系１４を介してビームスプリッタミラー１５に到達する。電磁放射１３のビーム経路に結像光学系３６が配置されている。この結像光学系３６は、各個別の面要素３５の放射を、端部で保持体５０によって保持されたファイバ光学系３７，３８に入力結合する。これらのファイバ光学系３７，３８を介して放射はフィルタ素子３９〜４２に到達する。ここでは各面要素３５ひいては各ファイバ光学系３７，３８に２つのフィルタ素子３９〜４２が所属している。フィルタ素子３９〜４２によってフィルタリングされた放射は、フォトダイオード配列体４７のフォトダイオード４３〜４６として構成されたセンサ素子によって検出される。このようにしても、各面要素３５ごとに異なるスペクトル選択性の放射測定点が得られ、これらの放射測定点は評価ユニット３０によって分析することができる。とりわけ、各面要素３５ごとに温度および／または放出係数を求めることができる。分析される面要素３５の数はセンサ素子の数によって決定される。フォトダイオード配列体４７がセンサシステムを構成する。
【００３２】
光ファイバ３７ないしは結像される画素３５をマトリクスとして被加工物にマッピングするか、または、別の任意の各配列（円、線、十字形等）に相互にマッピングすることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工が実施される被加工品（１０）の加工領域（１１）を監視する方法であって、
前記加工領域（１１）から放出された放射を検出器システム（２２）によって位置分解方式で検出する方法において、
前記加工領域（１１）の放射を、前記検出器システム（２２）に結像される、該加工領域（１１）の各面要素（３５）ごとに、同時に少なくとも２つの波長で検出することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記検出器システム（２２）によって検出される各面要素（３５）ごとに、検出された放射から、温度および／または放出係数を検出する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記温度および／または放出係数を考慮して品質評価を実施する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記加工領域（１１）から放出された放射を複数の個々のビーム経路（１７，１８）に分割し、該個々のビーム経路（１７，１８）をフィルタリングする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
各面要素（３５）ごとに、少なくとも２つの波長に対して１つの光学的フィルタリングを行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記加工領域の複数の波長依存性の像（２５，２６）を生成する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
被加工品（１０）のレーザ加工を監視するための装置であって、
フィルタシステム（２１）と検出器システム（２２）とを有する装置において、
結像される各面要素（３５）に少なくとも２つのセンサ素子が所属し、各センサ素子に、放出された放射を異なる波長でフィルタリングする光学的フィルタ（２３，２４，３９〜４２）が所属することを特徴とする装置。
【請求項８】
各面要素（３５）ごとに温度値および放出係数を検出するための評価装置（３０）が設けられている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
ビームスプリッタ（１６）がビーム経路に設けられている、請求項７または８記載の装置。
【請求項１０】
検出器システム（２２）としてマトリクスカメラが設けられている、請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
検出器システム（２２）として複数のカメラが設けられており、とりわけマトリクスカメラが設けられている、請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記マトリクスカメラまたは少なくとも１つのマトリクスカメラは、異なる半導体材料から製造されている、請求項１０または１１記載の装置。
【請求項１３】
前記検出器システムは複数のフォトダイオード配列体（４７）を有する、請求項７から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記フォトダイオード配列体（４７）は１つまたは複数のフォトダイオード（３９〜４２）を含む、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記ビーム経路に、前記フォトダイオード配列体（３９〜４２）より上流にファイバ光学系（３７，３８）および／または結像光学系（３６）が配置されている、請求項１３または１４記載の装置。
【請求項１６】
前記フォトダイオード（３９〜４２）または前記ファイバ光学系（３７）ないしは前記面要素（３５）の結像は相互に、マトリクスとして配置されているか、または任意の別の幾何学的形状で配置されている、請求項７から１５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
前記フォトダイオード（３９〜４２）は異なる半導体材料から製造されている、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
前記フィルタシステム（２１）は前記カメラマトリクスに組み込まれており、前記マトリクスの表面上に前記個々のセンサ素子より上流に配置されているか、または前記ビームスプリッタ（１６）と前記検出器システム（２２）との間に設けられている、請求項７から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記フィルタシステム（２１）はビームスプリッタミラー（１５）内に組み込まれているか、または前記ビームスプリッタ（１６）に設けられているか、ないしは前記ビームスプリッタ（１６）に組み込まれている、請求項７から１８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２０】
前記フィルタシステム（２１）はチェス盤パターンを有するか、またはストライプパターンを有するか、または光学的な個々のフィルタ素子の配列体を有する、請求項７から１９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
前記フィルタシステム（２１）のフィルタの波長は、測定すべき温度領域に適合されている、請求項７から２０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２２】
前記フィルタシステム（２１）のフィルタの波長は、測定すべき測定場所に適合されている、請求項７から２１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２３】
前記結像光学系（１９，２０）は色収差を補償するために、とりわけ軸方向および横方向の位置決めのために、相互に調整可能に構成されている、請求項７から２２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１】
レーザ加工が実施される被加工品（１０）の加工領域（１１）を監視する方法であって、
前記加工領域（１１）から放出された放射を検出器システム（２２）によって位置分解方式で検出する方法において、
前記加工領域（１１）の放射を、前記検出器システム（２２）に結像される、該加工領域（１１）の各面要素（３５）ごとに、同時に少なくとも２つの波長で検出することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記検出器システム（２２）によって検出される各面要素（３５）ごとに、検出された放射から、温度および／または放出係数を検出する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記温度および／または放出係数を考慮して品質評価を実施する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記加工領域（１１）から放出された放射を複数の個々のビーム経路（１７，１８）に分割し、該個々のビーム経路（１７，１８）をフィルタリングする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
各面要素（３５）ごとに、少なくとも２つの波長に対して１つの光学的フィルタリングを行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記加工領域の複数の波長依存性の像（２５，２６）を生成する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
被加工品（１０）のレーザ加工を監視するための装置であって、
フィルタシステム（２１）と検出器システム（２２）とを有する装置において、
結像される各面要素（３５）に少なくとも２つのセンサ素子が所属し、各センサ素子に、放出された放射を異なる波長でフィルタリングする光学的フィルタ（２３，２４，３９〜４２）が所属することを特徴とする装置。
【請求項８】
各面要素（３５）ごとに温度値および放出係数を検出するための評価装置（３０）が設けられている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
ビームスプリッタ（１６）がビーム経路に設けられている、請求項７または８記載の装置。
【請求項１０】
検出器システム（２２）としてマトリクスカメラが設けられている、請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
検出器システム（２２）として複数のカメラが設けられており、とりわけマトリクスカメラが設けられている、請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記マトリクスカメラまたは少なくとも１つのマトリクスカメラは、異なる半導体材料から製造されている、請求項１０または１１記載の装置。
【請求項１３】
前記検出器システムは複数のフォトダイオード配列体（４７）を有する、請求項７から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記フォトダイオード配列体（４７）は１つまたは複数のフォトダイオード（３９〜４２）を含む、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記ビーム経路に、前記フォトダイオード配列体（３９〜４２）より上流にファイバ光学系（３７，３８）および／または結像光学系（３６）が配置されている、請求項１３または１４記載の装置。
【請求項１６】
前記フォトダイオード（３９〜４２）または前記ファイバ光学系（３７）ないしは前記面要素（３５）の結像は相互に、マトリクスとして配置されているか、または任意の別の幾何学的形状で配置されている、請求項７から１５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
前記フォトダイオード（３９〜４２）は異なる半導体材料から製造されている、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
前記フィルタシステム（２１）は前記カメラマトリクスに組み込まれており、前記マトリクスの表面上に前記個々のセンサ素子より上流に配置されているか、または前記ビームスプリッタ（１６）と前記検出器システム（２２）との間に設けられている、請求項７から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記フィルタシステム（２１）はビームスプリッタミラー（１５）内に組み込まれているか、または前記ビームスプリッタ（１６）に設けられているか、ないしは前記ビームスプリッタ（１６）に組み込まれている、請求項７から１８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２０】
前記フィルタシステム（２１）はチェス盤パターンを有するか、またはストライプパターンを有するか、または光学的な個々のフィルタ素子の配列体を有する、請求項７から１９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
前記フィルタシステム（２１）のフィルタの波長は、測定すべき温度領域に適合されている、請求項７から２０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２２】
前記フィルタシステム（２１）のフィルタの波長は、測定すべき測定場所に適合されている、請求項７から２１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２３】
前記結像光学系（１９，２０）は色収差を補償するために、とりわけ軸方向および横方向の位置決めのために、相互に調整可能に構成されている、請求項７から２２までのいずれか１項記載の装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２０１０−５０８５３４（Ｐ２０１０−５０８５３４Ａ）
【公表日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３５５７１（Ｐ２００９−５３５５７１）
【出願日】平成１８年１１月４日（２００６．１１．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０１０５８５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５２５９１
【国際公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（５０２３００６４６）トルンプフ ヴェルクツォイクマシーネン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト (76)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｒｕｍｐｆ Ｗｅｒｋｚｅｕｇｍａｓｃｈｉｎｅｎ ＧｍｂＨ ＋ Ｃｏ． ＫＧ
【住所又は居所原語表記】Ｊｏｈａｎｎ−Ｍａｕｓ−Ｓｔｒａｓｓｅ ２，Ｄ−７１２５４ Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月４日（２００６．１１．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０１０５８５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５２５９１
【国際公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（５０２３００６４６）トルンプフ ヴェルクツォイクマシーネン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト (76)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｒｕｍｐｆ Ｗｅｒｋｚｅｕｇｍａｓｃｈｉｎｅｎ ＧｍｂＨ ＋ Ｃｏ． ＫＧ
【住所又は居所原語表記】Ｊｏｈａｎｎ−Ｍａｕｓ−Ｓｔｒａｓｓｅ ２，Ｄ−７１２５４ Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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